1) Petrobras Distribuidora S.A. 2) Centro de Pesquisas Leopoldo A. M. de Mello – CENPES - PETROBRAS

44ª RAPv – REUNIÃO ANUAL DE PAVIMENTAÇÃO E

18º ENACOR – ENCONTRO NACIONAL DE CONSERVAÇÃO RODOVIÁRIA

ISSN 1807-5568 RAPv

Foz do Iguaçu, PR – de 18 a 21 de Agosto de 2015

LIGANTE ASFÁLTICO DIFERENCIADO PARA MISTURAS DE MÓDULO ELEVADO

Alexander Marcos Vivoni (1); Carlos Eduardo Herrmann do Nascimento (1); Carlos Henrique Diniz da Silva Junqueira (1); Luís Alberto Herrmann do Nascimento (2)

RESUMO O presente trabalho descreve o desenvolvimento de um ligante asfáltico para Misturas de Módulo Elevado (MME), Esse ligante, chamado de CAP-AM, segue uma especificação francesa baseada em parâmetros empíricos como penetração e ponto de amolecimento, que foi adaptada no Brasil por uma concessionária de rodovias, A formulação especial do CAP-AM resulta em um ligante rígido, mas com elevada resistência à fadiga e à deformação permanente. Neste trabalho, o CAP-AM é comparado a um ligante rígido não modificado (CAP 15-25) e a um CAP 50/70 convencional em 3 diferentes níveis: ligante puro, concreto asfáltico e pavimento. No nível do ligante puro, foram feitas as avaliações de acordo com o método AASHTO MP19-10 (PG + MSCR) e a LAS – “Linear Amplitude Sweep Test” para a caracterização da fadiga. No nível concreto asfáltico foram comparados os módulos dinâmicos, “Flow Number” e dano na fadiga de acordo com o “Simplified Viscoelastic Continuum Damage model (S-VECD)” das misturas. Para verificar a resposta das misturas em um pavimento, foram feitas simulações usando análise de elementos finitos com o modelo S-VECD, e os resultados foram confirmados através de um programa de construção e monitoramento de trechos experimentais. Até o momento, o CAP-AM tem apresentado desempenho superior aos demais ligantes pelas suas características de rigidez e resistência à fadiga e à deformação permanente. PALAVRAS-CHAVE: Asfalto;Alto Módulo; Misturas; Desempenho ABSTRACT The present work describes the development of an asphalt binder for high modulus mixes in Brazil. This product, so-called CAP AM, follows a French based specification on Penetration and Softening Point, adapted by a Brazilian contractor. Its special formulation promotes a stiff binder with high fatigue cracking and rutting resistances. In this study, the CAP AM is compared to the unmodified AC 15-25 and AC 50-70 binders in three different levels: binder, asphalt mix (HMA), and pavement. Regarding the binder analysis, it was done the AASTHO MP 19-10 specification testing protocol (PG + MSCR), and the Linear Amplitude Sweep test (LAS) for fatigue characterization. In the mix level, mechanical tests were done in order to compare the HMAs dynamic modulus, flow number, and fatigue damage characteristics according to the Simplified Viscoelastic Continuum Damage model (S-VECD). To access the full scale response of the mixes, pavement simulations using finite element analysis with the S-VECD model were made, whose results are being confirmed trough a pavement test sections construction and monitoring program. So far, the results shown that the CAP AM has improved the overall HMA performance, since it has high stiffness associated to very good fatigue and rutting performances. KEYWORDS: Asphalt; High Modulus; Mixes; Performance

1) Petrobras Distribuidora S.A. 2) Centro de Pesquisas Leopoldo A. M. de Mello – CENPES - PETROBRAS

INTRODUÇÃO O uso de Ligantes de Módulo Elevado em camadas de base de pavimentos perpétuos é bastante comum na Europa, principalmente na França, desde a década de 1980 (HORAK, 2008). Há diversas especificações para o ligante, baseadas em Penetração e Ponto de Amolecimento, com Penetrações na faixa de 10 a 30 dmm. O Ligante de Módulo Elevado geralmente possui baixa penetração e alto Ponto de Amolecimento, geralmente acima de 60°C. Essas características, embora desejadas para este propósito, tornam a mistura asfáltica resultante muito susceptível à fadiga, a menos que a estrutura do pavimento esteja dimensionada para este tipo de revestimento, preferencialmente com reduzida deformabilidade. Para resolver essa deficiência, um ligante especialmente formulado, chamado CAP-AM, foi desenvolvido visando reduzir a susceptibilidade à fadiga, sem aumentar a Penetração para acima do mínimo especificado, de modo a que o produto continuasse enquadrado na especificação fornecida pelo cliente. Essa especificação é mostrada na Tabela 1.

Tabela 1 – Especificação Brasileira de Ligante para MME Teste Unidade Min. Max.

Penetração dmm 10 25 Ponto de Amolecimento °C 63 - Viscosidade @ 135 °C cP 350 3000 Viscosidade @ 150°C cP 200 - Viscosidade @ 177 °C cP 50 - Ponto de Fulgor °C 230 - Solubilidade em TCE % 99 - Estabilidade à Estocagem °C - 5

RESULTADOS DE ANÁLISE DO LIGANTE A formulação desenvolvida permitiu a produção de um ligante completamente enquadrado na especificação fornecida. Os resultados da caracterização do mesmo estão na Tabela 2, juntamente com as características do ligante duro não modificado AC 15-25.

Tabela 2 – Caracterização dos Ligantes Teste Unidade CAP-AM AC 15-25

Penetração Dmm 19 18 Ponto de Amolecimento °C 65,7 60,9 Viscosidade @ 135 °C cP 1840 740 Viscosidade @ 150°C cP 750 318 Viscosidade @ 177 °C cP 240 103 Ponto de Fulgor °C > 250 > 250 Solubilidade em TCE % 99,8 99,9 Estabilidade à Estocagem °C 2 -

Ambos os ligantes foram caracterizados de acordo com a especificação PG SUPERPAVE, com ensaios de MSCR e LAS. Os resultados dessa caracterização estão na Tabela 3 e nas Figuras 1 e 2.

Tabela 3 – Caracterização SUPERPAVE dos Ligantes Test Unit CAP-AM AC 15-25.

Original Binder DSR °C 82 76 RTFO Binder DSR °C 82 76 PAV Binder BBR °C 0 0 PG True Grade - 84-15 78-10 Jnr @ 0,1 kPa @ 64°C kPa-1 0,053 0,176 Jnr @ 3,2 kPa @ 64°C kPa-1 0,057 0,178 LAS Critical Crack Length @ 19°C mm 1,3 0,4

Cabe salientar que o CAP 50/70 rotineiramente usado no Brasil tem a classificação PG SUPERPAVE 64 (S) -22

0

0,0002

0,0004

0,0006

0,0008

0,001

0,0012

0,0014

0,0016

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5a (mm)

da/dN (mm/cycle)

Figura 1 – Comprimento Crítico da Trinca – LAS – CAP-AM-1 RTFO

0

0,0002

0,0004

0,0006

0,0008

0,001

0,0012

0,0014

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7

a (mm)

da/dN (mm/cycle)

Figura 2 – Comprimento Crítico da Trinca – LAS – AC 15-25 RTFO

DOSAGEM DAS MISTURAS A dosagem das misturas foi feita de acordo com o SUPERPAVE Mix Design - AASHTO M 323, usando o Método Bailey como guia na seleção da granulometria. Os parâmetros Bailey e a curva obtida são mostrados na Tabela 4 e Figura 3.

Tabela 4 – Parâmetros Bailey para a Curva Escolhida CA 0,475 FAc 0,432 FAf 0,627

Os parâmetros de Bailey foram os melhores possíveis, considerando que somente tínhamos um agregado fino para compor a faixa.

Figura 3 – Granulometria Escolhida

O Tamanho Nominal Máximo (TNM) da mistura foi 19 mm, e ela se enquadrou nos Pontos de Controle SUPERPAVE. A dosagem resultou em um teor de ligante de 4,7% para ambos os ligantes, com vazios de projeto de 4%. O tráfego adotado na dosagem foi de mais de 3 x 108 ESALs em 10 anos. Durante o processo de dosagem, a mistura preparada com o CAP-AM foi avaliada em uma prensa hidráulica universal com relação ao Flow Number, obtendo assim a sua resistência à deformação permanente. O resultado foi superior a 3000 ciclos a 60°C e 204 kPa, indicando um ótimo comportamento. ENSAIOS DE DESEMPENHO NAS MISTURAS Foram realizados ensaios uniaxiais de Módulo Dinâmico e de caracterização da Vida de Fadiga usando a Tração Direta e o modelo S-VECD. Os resultados são mostrados nas Figuras 4 a 8, abaixo. Os testes foram executados em uma prensa hidráulica universal MTS.

Figura 4 – Módulo Dinâmico - Escala semi-log (Avaliação de baixa Temperatura) -

Temperatura de Referência 20°C.

Figura 5 - Módulo Dinâmico - Escala log-log (Avaliação de Alta Temperatura) - Temperatura

de Referência 20°C.

:

Figura 6 – Curvas Características de Dano – C* vs. S (modelo S-VECD) - Temperatura de

Referência 20°C.

:

Figura 7 – Critério de Falha baseado na taxa de pseudo-energia liberada (Gr)

Figura 8 – Simulação da Vida de Fadiga por Tração Direta em diferentes temperaturas –

deformação controlada (10 Hz), a partir do S-VECD.

Nota-se que a mistura com CAP-AM, mesmo tendo rigidez bem mais elevada quando comparada com aquela preparada com CAP 50/70, apresentou desempenho na fadiga superior em todas as temperaturas, indicando a alta tenacidade conferida à mistura pelo uso deste produto especial. Observa-se que, além de ter boa vida de fadiga sob deformação controlada, trata-se de uma mistura de alta rigidez cujas deformações em serviço serão menores do que as obtidas para misturas típicas, favorecendo, assim, o seu desempenho em serviço (ver simulações de pavimento). Com isso, realizamos uma simulação de danos no pavimento para 180 meses de serviço, usando framework computacional baseado na Mecânica do Dano Contínuo, para pavimento típico com espessura do revestimento de 12,5 cm. As simulações consideraram como dados de entrada o clima do Rio de Janeiro e valores típicos de módulo e Coeficiente de Poisson para os materiais de base, sub base e sub-leito. Com relação às misturas, os dados de entrada foram o Módulo de Relaxação (coeficientes da Série de Prony da interconversão do Módulo Dinâmico), a curva C vs. S e os critérios de falha baseados na taxa de pseudo-energia liberada (Gr). Todo o processo de simulação foi baseado na metodologia proposta por Nascimento (2014). Os resultados das simulações são mostrados nas Figuras 9 e 10, evolução da área trincada e contornos de dano após 120 meses em serviço, respectivamente.

Figura 9 – Evolução da área trincada versus tempo.

Figura 10 – Contorno do Dano nas camadas asfálticas após 120 meses de serviço.

É importante ressaltar que as misturas de Módulo Elevado melhoram a estrutura do pavimento. No caso do CAP-AM, foram obtidos benefícios em ambas as frentes: Módulo Elevado e boa vida de fadiga na mesma mistura, indicando alta tenacidade. Na Figura 9 pode-se verificar que a mistura com CAP-AM não apresentou trincamento ao longo do período simulado, enquanto que as misturas com CAP 50/70 e CAP 15/25 apresentaram 20% de área trincada com cerca de 45 e 75 meses, respectivamente. O CAP 15/25 forneceu a mistura com menor vida de fadiga quando analisada somente do ponto de vista do material. Contudo, quando levamos em conta a sua alta rigidez, as deformações em serviço são substancialmente menores. Assim, tais deformações associadas às respostas do material em diferentes temperaturas, resultaram numa vida de fadiga melhor no pavimento do que uma mistura com CAP 50/70, considerando o cenário adotado na simulação. Para ilustrar esse fenômeno, a Figura 11 mostra as deformações na fibra inferior das camadas asfálticas para as misturas com 50/70, 15/25, e AM, ao meio dia de 1° de setembro, para um eixo-padrão de 8,2 toneladas trafegando a 80 km/h.

Figura 11 – Pulsos de deformação na fibra inferior das camadas asfálticas

TRECHOS EXPERIMENTAIS “FULL DEPTH” Em Agosto de 2012, foram construídos dois trechos experimentais adjacentes em uma rodovia de tráfego extremamente pesado em São Paulo. Os trechos foram usados para reabilitar a via usando camadas menos espessas do que as normalmente utilizadas no processo normal de reconstrução. A estrutura foi dimensionada para suportar o tráfego e não falhar por fadiga ou deformação permanente. A Figura 12 mostra a estrutura dos trechos. As seções em azul foram feitas com CAP 15/25 e as verdes com CAP AM.

Figura 12 – Trechos experimentais

Por exigência da administradora da rodovia, todas as seções foram cobertas por uma camada de 12 mm de Micro-revestimento tipo II da ISSA. As deflexões foram medidas com um FWD KUAB 150 antes e depois da construção das seções, cujos resultados são mostrados na Figura 13.

Figura 13 – Deflexões medidas com o FWD.

AVALIAÇÃO DOS TRECHOS EXPERIMENTAIS As seções foram avaliadas após 6, 12 e 18 meses da construção, usando o FWD e também visualmente. As deflexões medidas são mostradas na Figura 14. As seções com CAP AM não mostraram nenhum sinal de trincamento após 18 meses, enquanto que algumas seções com CAP 15/25 mostraram algumas fissuras após o mesmo período.

Figura 14 – Deflexões medidas com FWD – monitoramento.

CONCLUSÕES O ligante de Módulo Elevado CAP AM, desenvolvido pela Petrobras Distribuidora, mostrou melhor comportamento em relação à deformação permanente e à fadiga. Ele apresenta um desempenho em serviço, até o momento, muito superior ao ligante duro não modificado CAP 15/25 nos trechos experimentais. Além disso, os desempenhos verificados em campo estão perfeitamente alinhados com aqueles obtidos a partir das simulações computacionais com o modelo S-VECD. REFERÊNCIAS Horak, Emile – “Structural Analysis of HiMA Pavements” - 16th Road Pavements Forum - 12 NOVEMBER 2008, CSIR International Conference Centre, Pretoria, Gauteng Nascimento, Luis A. H. do – “Implementation and Validation of the Viscoelastic Continuum Damage Theory for Asphalt Mixture and Pavement Analysis in Brazil ” Ph.D. Proposal North Carolina State University, Raleigh, NC, Estados Unidos (2014)